多层印制电路板的EMI数值分析

论文摘要

多层印制电路板（PCB）和电子封装设计正不断向高速、高集成化方向发展，电磁干扰（EMI）问题已成为高速数字系统设计所面临的一个巨大挑战。高速PCB中的走线、IC（集成电路）和不连续结构均是产生电磁辐射的噪声源，而同步开关噪声（SSN）则是产生电磁辐射的主要原因。SSN会导致电源总线产生电压波动，因高速数字系统的电源/地平面呈腔体结构，在SSN噪声源激励下会产生谐振现象，从而产生严重的电磁场辐射发射。高速数字系统中具有大量的过孔、接插件和互连线，因其结构的复杂性对其EMI进行建模仿真十分困难。本文采用边界元法对电源/地平面产生的电磁场辐射发射进行了建模仿真。研究了电源/地平面具有多个过孔时EMI激励源的精确提取方法以及多层PCB电磁辐射等效磁流的电磁场数值分析方法。首先采用有限元法建立了过孔的内在等效电路模型，然后采用边界元法计算了电源/地平面上多个过孔的散射矩阵，最后将过孔等效电路、散射矩阵和外部电路在ADS（或SPICE）软件环境下进行混合电路分析，从而求出EMI噪声源。等效磁流及散射矩阵是通过求解二维亥姆霍兹方程获得。由已知等效磁流即可方便地计算出空间的EMI辐射场。计算结果通过电磁场软件仿真进行了验证，证实了本文方法的有效性和精确性。边界元法只需对过孔及板的四周边界进行离散，无需求解内部场分布即可获得辐射等效磁流，极大地提高了计算效率。此外，边界元法可适应于任意形状PCB的EMI分析，比腔模理论具有更广的适用性。论文的特色与创新性研究表现为：（1）通过混合电路仿真获得了精确的EMI激励源。（2）采用有限元法对过孔的寄生电容进行了建模分析。将极坐标形式的拉普拉斯方程转化为简便的直接坐标形式，简化了编程过程。（3）采用边界元法对多层PCB的过孔散射矩阵及等效磁流进行了分析。边界元法可大大减少PCB上过孔、走线等精细结构的离散网格数量，并有效提高计算精度与计算效率。与网格离散方法相结合可同时对信号完整性、电源完整性和EMI进行整体建模仿真，这将是一种非常有前景的仿真方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 PCB 之 EMI 简介
• 1.1.1 EMI 干扰源
• 1.1.2 数字系统辐射发射标准
• 1.2 选题目的和研究意义
• 1.3 PCB 辐射的国内外研究状况
• 1.4 本论文所做的工作
• 1.4.1 本论文的主要研究内容
• 1.4.2 本论文的研究方法
• 第2章 电源/地平面电磁场辐射机理
• 2.1 多层 PCB 简介
• 2.2 电源/地平面结构分析
• 2.3 电源/地平面的边缘辐射
• 2.4 微带天线辐射机理
• 2.5 本章小结
• 第3章 过孔分布电容的有限元分析
• 3.1 过孔结构与传输线模型
• 3.2 轴对称两维有限元法
• 3.2.1 边值问题的建立
• 3.2.2 区域离散
• 3.2.3 单元插值
• 3.2.4 里兹方法的计算公式
• 3.3 程序设计
• 3.4 计算结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 单个过孔的电源/地平面辐射
• 4.1 边界元算法
• 4.1.1 格林公式的应用
• 4.1.2 边界积分方程的导出
• 4.1.3 线性元法
• 4.1.4 代数方程组的形成
• 4.1.5 H、G 中元素的计算
• 4.1.6 程序设计
• 4.2 激励电流的计算
• 4.3 等效磁流计算辐射电磁场
• 4.4 实例分析
• 4.4.1 HFSS 验证电源/地平面的场分布
• 4.4.2 电源/地平面的远场分布
• 4.5 本章小结
• 第5章 多个过孔的电源/地平面辐射
• 5.1 边界元分析阻抗矩阵
• 5.2 激励电流的计算
• 5.3 等效磁流计算辐射电磁场
• 5.4 实例分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 研究总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的学术论文